有源纹波补偿BUCK型LED驱动电路

　　传统BUCK 电路采用LC 滤波，电路稳态工作时，输出电压由微小的纹波和较大的直流分量组成。当驱动LED 时，纹波电压将引起较大的LED 纹波电流。增大滤波电容可减小LED 的纹波电流。但是，电容容量的增大，导致电源体积和重量增加，影响电源的小型化和集成化，更重要的是，电解电容成为限制LED 驱动电源寿命的主要因素。在LED 照明应用环境下，电解电容的寿命不超过10 000 h，与LED 的长寿命( 100 000 h 左右) 难以匹配。文献分析了开关电源的平均无故障时间，指出电解电容的性能直接决定了电路的可靠性，在设计电源驱动器的时候应该有针对性地减少电解电容的使用。电解电容的有效工作寿命在很大程度上取决于环境温度以及通过等效串联阻抗的纹波电流导致的温升。温度过高致使电解电容电解质逐渐耗尽，使得其性能下降。

　　本文提出一种有源纹波补偿BUCK 型LED 驱动电路。该电路无需使用大容量电解电容，所需要的小容量电容可以采用能量密度较小的新型长寿命电容，利用有源补偿技术抑制输出纹波电流。由于取消电解电容的使用，可以使电路寿命增长，稳定性提高，便于集成，电路易小型化。

　　一、有源纹波补偿BUCK 电路

　　电路如图1 所示。电路结构以BUCK电路为主，取消电解电容滤波，用辅助线性电路对电感纹波电流进行补偿。图中由开关管V、电感L、LED 灯组、续流二极管VD 组成主电路; 晶体管VT 为辅助补偿电路。

　　

 

　　图1 有源纹波补偿BUCK 电路拓扑图

　　设主电路电感电流iL和晶体管VT 的集电极电流iC分别为：

　　

 

　　式中，IL和IC分别是电感电流和的集电极电流的直流分量; ir和ic分别为它们的交流分量( 纹波电流) 。

　　当ic = - ir时，输出电流为：

　　

 

　　通过LED 的电流iO为恒定直流，如图2 所示，实现了对电感纹波电流的全补偿。

　　

 

　　式中，Ip和IPP分别是电感电流的上峰值和电感纹波电流的峰峰值。

　　

 

　　图2 电感电流补偿示意图

　　LED 灯组为n 个大功率LED 串联连接，UO =nUF为LED 灯组压降; UF为单个LED 的导通压降。

　　晶体管VT 的损耗为：

　　

 

　　在保证晶体管VT 的集射电压大于其饱和压降( VCE≥VCES) 的条件下，调整占空比D ( 如D 取值范围为85% ～ 95%) ，可使集射电压足够小。同时，控制集电极瞬时电流iC的最小值近似为零，则IC最小。因此，晶体管VT 的损耗为最小，可提高驱动电源的效率。

　　二、纹波补偿的实现

　　1. 纹波电流检测

　　根据电感元件的电压与电流关系：

　　

 

　　可以通过观测电感两端的电压来检测纹波电流，如图3 所示。图3 中检测电路由运算放大器A1、电阻R 及电容C 组成差分积分电路。假设各元器件均为理想元器件则：

　　

 

　　即：

　　

 

　　

 

　　图3 纹波电流检测补偿原理图

　　uo1( t) 是与电感纹波电流成正比的函数，比例系数为：

　　

 

　　A1采用单电源供电，uo1≥0，在纹波电流为正峰值时uo1 = 0 有：

　　

 

　　式中：

　　

 

　　所以：